Genetic and environmental determination of somatic growth and muscular strength during adolescence: a multivariate and longitudinal analysis.

Genetische- en omgevingsdeterminatie van somatische groei en spierkra cht tijdens de adolescentie: een multivariate en longitudinale analyse.< /&gt; Samenvatting In het eerste hoofdstuk van deze thesis werd de heritabiliteit van het s omatotype een drie-dimensionele index van de menselijke lichaamsbouw- tijdens de adolescentie onderzocht. Vroegere studies in verband met de heritabiliteit van dit kenmerk slaagden er niet in om i) te controleren voor leeftijdsverschillen, ii) rekening te houden met de covariatie tuss en de drie somatotype-componenten (STC), iii) de significantie van gesla chtsverschillen te toetsen, iv) of er kon geen onderscheid gemaakt worde n tussen familiale omgevingsinvloeden en additieve genetische effecten ( A). De resultaten toonden aan dat vanaf 14 jarige leeftijd geslachtsverschil len in de onderliggende bronnen van variantie van de drie somatotype-com ponenten significant zijn. Deze bevinding bevestigt de noodzakelijkheid van het toetsen van geslachtsverschillen. Hoewel de significantie van de leeftijdsverschillen niet rechtstreeks getest werd, overlappen de betro uwbaarheids-intervallen vóór en na 14 jarige leeftijd in het algemeen ni et, wat toch een indicatie geeft van de significantie van de geobserveer de verschillen. Het manifesteren van deze geslachtsverschilen valt bijna perfect samen met de gemiddelde leeftijd van de piek-groeisnelheid (LPG S) bij de jongens. De LPGS, gebaseerd op fitting van het Preece-Baines m odel I, lag bij de mannelijke tweelingen in de Leuvense Longitudinale Tw eelingenstudie (LLTS) gemiddeld op de leeftijd van 14,15 jaar. Bij de me isjes blijven de heritabiliteits estimaties van dezelfde grootte-orde na 13 jaar voor de drie STC: ongeveer tussen 75 en 90% voor endomorfie, ro nd 40 à 50% voor mesomorfie en ca. 60 tot 70% voor ectomorfie. Bij de jongens echter echter dalen na 13 jaar de heritabiliteiten sterk tot ongeveer 25% voor endomorfie, stijgen naar ongeveer 70% voor mesomorfie en dalen aanzienlijk wat betreft ectomorfie. Hoewel het somatotype als c oncept oorspronkelijk ontwikkeld werd als een vorm-kenmerk , relateert de Heath-Carter anthropometrische methode het somatotype aan lichaamss amenstelling en dit voornamelijk wat betreft endo- en mesomorfie. Endomo rfie wordt verondersteld de relatieve fatness weer te geven en wordt b erekend op basis van een som van huidplooien met een correctie voor de g estalte. Mesomorfie wordt geconceptualiseerd als zijnde representatief v oor de relatieve musculoskeletale ontwikkeling en wordt berekend op basi s van bot-breedtes en omtrekmetingen van de ledematen gecorrigeerd voor de dikte van een aantal huidplooien. Ectomorfie verwijst naar de relatie ve lineariteit van de lichaamsbouw. In de mate dat endo- en mesomorfie i nderdaad een weerspiegeling zijn van de (relatieve) vetmassa en vet-vrij e massa, lijken de verschillen in variantie tussen jongens en meisjes va naf 14 jaar consistent met de observatie van een groeispurt in de spierd iameters en vet-vrije massa die veel meer uitgesproken is bij jongens da n bij meisjes en die bijna gelijktijdig plaatsvindt met de LPGS. De vali diteit van het verwijzen naar mesomorfie als zijnde representatief voor de vetvrije massa is echter in twijfel te trekken aangezien het nogal la ag correleert met vet-vrije massa en musculariteit van de ledematen (Mal ina, 2004). De noodzaak om rekening te houden met de covariateie tussen de drie STC werd aangetoond door de grote proportie van de variantie in elke STC die werd verklaard door latente variantiebronnen die de drie componenten me t elkaar gemeenschappelijk hebben (&gt;60%). Het gebruik van tweelinggegevens, in tegenstelling tot gegevens van gewo ne broerparen en zussen, laat toe te differentiëren tussen familiale bro nnen van variantie (C) en additieve genetische bronnen van variantie (A) . Recent rapporteerden Huygens et al. (2004) maximale heritabiliteiten ( =A+C) van 0.67, 0.97 en 0.86 voor respectievelijk endo-, meso- en ectomo rfie in een proefgroep van 748 jonge Vlaamse broerparen (17-35 jaar). De ze maximale waarden kunnen echter een onbekende hoeveelheid familiale om gevingsvariantie omvatten. In de LLTS verklaart de familiale omgeving ee n significante hoeveelheid van de variantie in de drie STC. Als echter t er vergelijking de varianties verklaard door A en C bij de jongens van d e LLTS op 18-jarige leeftijd bij mekaar opgeteld worden (=maximale herit abiliteit), wordt slechts 34%, 87% en 73% van de variantie van de respec tievelijke STC verklaard. Voor endomorfie wordt dus een duidelijk lagere maximale heritabiliteit (=A+C) geobserveerd in de huidige studie en een ongeveer 10% lagere maximale heritabiliteit voor de andere twee STC. Di t kan op zijn minst gedeeltelijk toegeschreven worden aan het niet in re kening brengen van de covariatie tussen de drie STC in de studie van Huy gens et al. (2004). De resultaten van Huygens en medewerkers suggereerde n ook dat mesomorfie de meest erfelijk bepaalde STC is bij volwassen man nen. Dit wordt ook ondersteund door gegevens van (enkel) de jongens in d e huidige studie, maar pas vanaf 13 jaar, wat opnieuw het belang aangeef t van het in rekening brengen van leeftijdsverschillen en het toetsen va n de significantie van geslachtsverschillen. Naast de genetische bronnen van variantie wordt ook een aanzienlijk deel van de variantie verklaard door omgevingsfactoren. Carter en Heath (199 0) benadrukken het belang van voeding en fysieke activiteit als potentië el significante beïnvloedende factoren voor het somatotype. Dit is consi stent met de gerapporteerde invloeden van socio-economische factoren, en ergie-inname en het fysieke activiteitsniveau op de familiale gelijkenis sen van de STC (Bouchard et al., 1980; Rebato et al., 2000; en Song et a l., 1993) hoewel Sanchez-Andres (1995) deze effecten niet kon bevestigen . Zoals eerder in de thesis werd aangetoond, vertoonden in de LLTS endo- en mesomorfie enkel bij de meisjes een lage maar significante correlati e met het aantal uren sport beoefend per week (USP/wk). Deze variable op nemen als covariabele zou dus allicht slechts een kleine hoeveelheid var iantie verklaren bij de meisjes en niet bij de jongens. USP/wk modellere n als moderator variabele om gen-omgevingsinteracties of gen-omgevingsco rrelaties te ontdekken werd eveneens niet opportuun geacht, gezien het k leine hoofdeffect van de variabele en de te beperkte grootte van de proe fgroep voor dit type van analyse. De gegevens van de LLTS bevatten geen andere plausibele gemeten kandidaat -omgevingsvariabelen. Op basis van de niet-significante vader-moeder correlaties binnen de LLTS is het ook weinig waarschijnlijk dat een gedeelte van de familiale omgevingsinvloed en toegeschreven kunnen worden aan een onterechte detectie van deze invl oeden te wijten aan niet gemodelleerde assortative mating. In de tweede studie werd de heritabiliteit van het groeiproces van gesta lte en gewicht geanalyseerd. Hiertoe werden 'structurele latente gr oei-curve modellen' gefit op longitudinale gestalte-en gewichtmetingen. Deze metingen omvatten tot 14 observatiepunten tussen 10- en 18-jarige l eeftijd per proefpersoon. De methoden beschreven door Neale en McArdle ( 2000) werden hiertoe aangepast om de Preece-Baines model I -groeicurve te modelleren als onderliggende curve. Dit is de eerste studie die deze techniek toepast op longitudinale gestalte- en gewichtgegevens en bovend ien ook de eerste die zoveel observatiepunten (&gt;10) per subject omvat. D e Preece-Baines curve, met zijn vijf parameters, werd verkozen boven de meer complexe mathematische groeicurves voornamelijk omwille van zijn be perkt aantal parameters, hun biologische betekenis en de robuustheid van het model met betrekking tot de op te geven startwaarden. De resultaten tonen aan dat zowel de variatie in gestalte als in gewicht in hoge mate door genetische verschillen verklaard wordt voor zowel jongens als meis jes over het hele bestudeerde leeftijdsbereik, hetgeen in overeenstemmin g is met gegevens uit andere longitudinale studies (bijvoorbeeld Phillip s and Matheny, 1990). Variatie in het groeipatroon, zoals beschreven doo r de vijf Preece-Baines curveparameters, wordt eveneens in zeer sterke m ate door genetische diversiteit verklaard bij zowel meisjes als jongens. Zo werd aangetoond dat zowel het tempo, weerspiegeld in de snelheidspar ameters R1 en R2, als de timing, weerspiegeld door de leeftijd op tijds tip &#952; , van de groei tijdens de adolescentie onder een sterke genetische controle staan bij Vlaamse adolescenten. De erfelijkheid van het groeipatroon is iets hoger voor gestalte als voor gewicht. De curvep arameters verklaren meer dan 90% van de totale variantie in gestalte en gewicht. De laagste waarden worden gerapporteerd voor gestalte op 18-jar ige leeftijd bij de jongens en voor gewicht op 18-jarige leeftijd voor z owel de jongens als de meisjes. Wat betreft de gestalte werd deze observ atie toegeschreven aan het feit dat een aanzienlijk aantal jongens nog n iet hun volwassen gestalte bereikt hebben op 18 jaar, waardoor een deel van de variantie niet verklaard kan worden door de Preece-Baines curve v ermits hiervoor de definitieve volwassen gestalte gekend dient te zijn o m de asymptoot nauwkeurig te kunnen bepalen. Aangezien er voor gewicht g een echte absolute asymptotische waarde bestaat, vermits gewichtstoename /-afname op volwassen leeftijd mogelijk blijft, kan eenzelfde redenering ook een verklaring bieden voor het feit dat op 18 jaar ook voor gewicht procentueel minder variantie verklaard kan worden door de Preece-Baines curve. Dit is bovendien ook consistent met de notie van de accumulatie van omgevingsinvloeden met betrekking tot de energiebalans zoals voeding en fysieke activiteit Aangezien het percentage door genen verklaarde variantie één van de belangrijke factoren is wanneer men tracht specifieke genen te identifi ceren, zijn de parameters van de groeicurves van gestalte en gewicht, al s groei-fenotypes , gezien hun hoge heritabiliteiten, uitstekende kandi daten voor de detectie van Quantitative Trait Loci (QTL s). Bovendien ka n de identificatie van QTL s die geassocieerd zijn met het tempo en timi ng van de groei tijdens de adolescentie helpen de pathway van de aange toonde associatie tussen deze groeiparameters en het risico op borstkank er (Ahlgren et al., 2004) te identificeren zodat preventie en screening van risicogevallen verbeterd kan worden. Verder is het ook reeds aangeto ond dat een snelle maturatie tijdens de adolescentie gerelateerd is aan een verhoogd risico op obesiteit op volwassen leeftijd voor zowel jongen s als meisjes (van Lenthe et al., 1996) en het zou als dusdanig ook een significante risicofactor kunnen zijn voor cardiovasculaire aandoeningen op volwassen leeftijd. Vandaar dat het verwerven van inzicht in de oorz aken van variatie in de groei tijdens de adolescentie uiteindelijk zou k unnen leiden tot een verbetering van de volksgezondheid. In het derde en vierde hoofdstuk van de thesis werd de op fenotypisch ni veau geobserveerde stabiliteit van explosieve en statische kracht tijden s de adolescentie bestudeerd met als doel de onderliggende genetische en omgevingsdeterminatie van die stabiliteit te ontrafelen. Totnogtoe zijn er binnen het domein van de fysieke fitheid geen andere studies bekend die dit stabiliteitsvraagstuk aankaarten. Een bijkomend uniek kenmerk va n de in deze thesis toegepaste analyses is het alligneren van de gegeven s op de LPGS om de variatie ten gevolge van verschillen in timing van de adolescente groeispurt trachten te neutraliseren. Wat betreft explosieve kracht, gemeten met de vertical jump test (VTJ) blijken additieve genetische factoren de voornaamste oorzaak te zijn va n de fenotypische stabiliteit tijdens de adolescentie: dezelfde additiev e genetische bronnen van variantie die een significante hoeveelheid vari antie verklaren op één jaar vóór de LPGS, verklaren nog steeds 36.8 % en 49.9% van de variantie drie jaar na de LPGS (LPGS+3), bij jongens e n meisjes respectievelijk. Stabiele omgevingsbronnen van variantie verkl aren minder dan 1% van de variantie over het hele leeftijdsbereik. Op LP GS+3 bedraagt de totale hoeveelheid verklaarde variantie door additieve genen die op vroegere meettijdstippen reeds een significantie hoeveelhei d van de variantie in VTJ verklaarden, voor jongens en meisjes respectie velijk 56.4% en 62.8%. Wat betreft unieke omgevingsbronnen van variantie bedragen de overeenkomstige waarden respectievelijk slechts 15.3% en 7. 9%. Er kan dus besloten worden dat de geobserveerde fenotypische stabili teit in explosieve kracht tijdens de adolescentie hoofdzakelijk verklaar d wordt door additieve genen. Wat betreft statische kracht, gemeten via de arm pull test (ARP), verkla ren genetische factoren die één jaar vóór de LPGS een deel van de v ariantie verklaarden, nog steeds circa 15% van de totale variantie op LP GS+3 voor zowel jongens als meisjes. Stabiele unieke omgevingsfactoren v erklaren slechts 3.5% en 1% van de totale variantie over de hele leeftij dsspanne hetgeen suggereert dat ook voor statische kracht nagenoeg enkel additieve genetische factoren de de stabiliteit over de hele leeftijdsr ange verklaren. Het totale percentage variantie verklaard door doorgege ven additief genetisch bronnen van variantie op LPGS+3 bedraagt 44.2% b ij jongens en 22.4% bij de meisjes. De totale proportie van doorgegeven unieke omgevingsvariantie op LPGS+3 bedraagt 31.2% voor jongens en 44.5% voor meisjes. Duszowel additief genetische als omgevingsbronnen v an variantie verklaren de fenotypische stabiliteit van ARP. Voor beide g eslachten wordt een toename in stabiliteit geobserveerd na de LPGS. Bij de jongens kan deze toename zowel aan additieve genen als aan unieke omg evigsfactoren toegeschreven te kunnen worden, terwijl bij meisjes de toe genomen stabiliteit voornamelijk veroorzaakt lijkt te worden door unieke omgevingsfactoren. Analyse van fenotypische tweelingendata laat niet toe de exacte omgeving sfactoren die de variatie en de stabiliteit in deze krachtkenmerken vero orzaken, te benoemen. In de LLTS blijkt de variabele USP/wk, op 15-jarig e leeftijd, niet significant gecorreleerd te zijn met ARP of VTJ prestat ie. Huygens et al. (2004) suggereren dat dit te wijten zou kunnen zijn a an een gebrek aan specificiteit van dit meetinstrument, waardoor er geen onderscheid gemaakt wordt tussen bijvoorbeeld power-gerelateerde sporte n versus uithoudings-gerelateerde sporten, vermits het toch duidelijk aa ngetoond is dat krachttraining ook bij kinderen tot een significante kra chtwinst kan leiden (Sale, 1989; Blimkie and Sale, 1997; Malina et al., 2004). Dus veeleer dan sportparticipatie op zich, is het meer waarschijn lijk dat het type en de intensiteit van deze activiteiten determinanten zijn van kracht en power (Blimkie and Sale, 1997). De genetische oorzake n van stabiliteit zijn mogelijks gerelateerd aan de stabiliteit van de v erdeling van het spiervezeltype wat betreft explosieve kracht en wat bet reft statische kracht met het lichaamsgewicht, hetwelke in hoofdstuk 2 c onsistent sterk genetisch bepaald bleek te zijn gedurenede het hele leef tijdsbereik van de LLTS, en ook gedeeltelijk de spiermassa reflecteert. Terwijl statische kracht voornamelijk gedetermineerd wordt door kwantita tieve factoren zoals vet-vrije massa (Huygens et al., 2004), en gerelate erd is aan de oppervlakte van spierdoorsnede, en dus het aantal sarcomer en in parallel (Sargeant, 1997; Blimkie and Sale, 1997), kan explosieve kracht beschouwd worden als een meer complex fenotype inzoverre dat naas t een kwantitatief aspect ook een kwalitatief aspect gerelateerd is met een goede prestatie. Explosieve kracht is een functie van zowel kracht a ls contractiesnelheid van de spier. Dit laatse aspect is gerelateerd aan de lengte van de spier, namelijk het aantal sarcomeren in serie. Ook co ördinatie is een bepalende factor van explosieve kracht, zeker als het g emeten wordt door middel van een een complexe motorische taak zoals spri ngen (Sargeant, 1997). Bovendien kan het vermogen om gebruik te maken va n elastische potentiële energie, opgestapeld tijdens een excentrische c ountermovement , een gunstig effect hebben op de sprongprestatie, hoewel kinderen niet altijd in staat blijken te zijn om deze pre-stretch te be nutten (Päasuke et al., 2001). Men kan dus op basis van de resultaten de hypothese stellen dat ofwel de diversiteit in het type en de intensitei t van de dagdagelijkse fysieke activiteit van kinderen en adolescenten w el volstaat om variatie in krachtwinst te veroorzaken, maar dat deze act iviteit niet specifiek genoeg is om te resulteren in activiteitsgerelate erde variatie in explosieve kracht. Aan de andere kant is het echter ook net zo goed mogelijk dat er onvoldoende variatie is in activiteiten die leiden tot een differentiatie qua explosieve kracht bij kinderen, aange zien vele sport-en spel gerelateerde activiteiten korte explosieve inspa nningen vragen. In het laatste hoofdstuk werd de covariatie tussen de groeipatronen van lichaamsgewicht en statische kracht bestudeerd. De relatie tussen gewich t en statische kracht tijdens de adolescentie is goed gedocumenteerd (Be unen en Thomis, 2000). Functioneel gezien is de relatie in sterke mate g erelateerd aan de vet-vrije massa, dewelke ook de spiermassa omvat (Mali na, 2004). Er is echter ook een, weliswaar lagere, positieve associatie tussen absolute vetmassa en statische kracht, hetgeen echter waarschijnl ijk ten dele de grotere lichaamsafmetingen van de meer corpulente kinder en reflecteert (Malina, 2004). De relatie tussen de groeipatronen van beide kenmerken werd bestudeerd a an de hand van de covariatie tussen de Preece-Baines model I curveparame ters voor statische kracht en lichaamsgewicht die bekomen werden via een bivariate applicatie van structurele latente groeicurve-modellen. De re sultaten tonen aan dat de Preece-Baines curve minder variantie in ARP ti jdens de adolescentie kan verklaren dan bij lichaamsgewicht het geval is (hoofdstuk 2). De curve verklaart tussen 54.2% en 88.0% van de totale v ariantie in ARP bij de jongens en tussen 48.0% en 84.3% bij de meisjes. De heritabiliteit van het groeipatroon, weerspiegeld in de curveparamete rs, is ook duidelijk lager voor statische kracht dan voor lichaamsgewich t bij de jongens en bevindt zich voor de vijf parameters tussen de 48.3% en 68.4%. Bij meisjes wordt tussen de 59.2% en 96.9% van de variatie in de ARP curve parameters verklaard door additieve genetische factoren wa arbij de heritabiliteiten voor de leeftijd op punt &#952; en ARP at &#952; hoger zijn dan die voor lichaamsgewicht. De fenotypisch e correlaties tussen de overeenkomstige curveparameters van ARP en gewic ht is over het algemeen hoger bij jongens dan bij meisjes, hetgeen waars chijnlijk de grotere proportie van vet-vrije massa, en dus het lagere pe rcentage vetmassa in het lichaamsgewicht van jongens ten opzichte van me isjes, weergeeft. Bij de jongens kan het merendeel van deze covariantie toegeschreven worden aan een genetische correlatie tussen de parameters. Bij meisjes werden gelijkaardige bevindingen gerapporteerd en de omgevi ngscorrelaties tussen de groeicurveparameters van ARP en gewicht zijn ni et significant. Bij de jongens echter, zijn deze omgevingscorrelaties we l significant, maar verklaren slechts een klein percentage van de covari antie tussen de parameters. Deze resultaten tonen aan dat de associatie tussen de groeipatronen van statische kracht en lichaamsgewicht in sterk e mate genetisch bepaald wordt en waarschijnlijk gerelateerd is aan vet- vrije massa en bijgevolg spiermassa. Conclusies In deze laatste sectie zullen de antwoorden op de drie voornaamste onder zoeksvragen van deze thesis samengevat worden. Volgende antwoorden op de ze vragen kunnen geformuleerd worden voor Vlaamse adolescenten: 1.Wordt het groeipatroon tijdens de adolescentie genetisch bepaald?</ &gt; In hoofdstuk 2 werd aangetoond dat de variatie in het groeipatroon van z owel gestalte als gewicht tijdens de adolescentie bij jongens en bij mei sjes in sterke mate genetisch bepaald wordt. De genetische determinatie is een klein beetje groter voor gestalte als deze voor gewicht. In hoofd stuk 5 werd aangetoond dat de variatie in het groeipatroon van statische kracht tijdens de adolescentie ook ten dele genetisch bepaald wordt, ma ar tot 50% van de variatie wordt bepaald door unieke omgevingsfactoren. 2. Wordt de fenotypische stabiliteit/verandering in fysieke karakteri stieken tijdens de adolescentie bepaald door een stabiele/veranderende i nvloed van genen en/of omgeving? Er werd aangetoond dat wat explosieve kracht tijdens de adolescentie bet reft additieve genetische factoren de voornaamste bron van stabiliteit z ijn (hoofdstuk 3). Wat betreft statische kracht verklaren zowel additiev e genen als unieke omgevingsfactoren een aanzienlijk deel van de geobser veerde stabiliteit tijdens de adolescentie (hoofdstuk 4). 3. Wordt de covariatie tussen de groeipatronen van fysieke kenmerken genetisch bepaald? Binnen deze vraagstelling werd er gekeken naar de covariatie tussen het groeipatroon van gewicht enerzijds en dat van statische kracht anderzijd s (hoofdstuk 5). Er werd aangetoond dat de covariatie tussen deze twee g roeipatronen inderdaad voor het merendeel door genetische factoren bepaa ld wordt, hetgeen suggereert dat op zijn minst gedeeltelijk dezelfde gen en die de variatie in het groeipatroon van gewicht verklaren ook de vari atie in het groeipatroon van statische kracht verklaren. Terwijl bij de jongens een klein gedeelte van de covariantie verklaard wordt door uniek e omgevingsfactoren, dragen omgevingsvariabelen